單細(xì)胞測(cè)序研究——神經(jīng)/腦組織篇

吉?jiǎng)P基因

2021.11.24

神經(jīng)系統(tǒng)是機(jī)體內(nèi)對(duì)生理功能活動(dòng)的調(diào)節(jié)起主導(dǎo)作用的系統(tǒng)，主要由神經(jīng)細(xì)胞（神經(jīng)元）和神經(jīng)膠質(zhì)所組成。神經(jīng)系統(tǒng)在維持機(jī)體內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)，保持機(jī)體完整統(tǒng)一性及其與外環(huán)境的協(xié)調(diào)平衡中起著主導(dǎo)作用。多發(fā)性硬化癥、阿爾茲海默癥等多種復(fù)雜疾病都與神經(jīng)系統(tǒng)的紊亂有關(guān)。已有研究表明，小膠質(zhì)細(xì)胞在阿爾茨海默病的易感性中起著重要作用。動(dòng)物或人的成熟腦組織相對(duì)于其他組織更為嬌嫩，神經(jīng)細(xì)胞也很脆弱，腦組織離體6-10分鐘后，腦細(xì)胞就會(huì)大量死亡。

對(duì)神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞等神經(jīng)細(xì)胞的類(lèi)型、發(fā)育及人腦基因活動(dòng)圖譜的全面了解，為多角度理解神經(jīng)細(xì)胞發(fā)育的異質(zhì)性程度及神經(jīng)腦組織相關(guān)細(xì)胞特征提供了極有價(jià)值的數(shù)據(jù)資源，可為各種神經(jīng)相關(guān)疾病提供更精確的治療策略。本文對(duì)部分將單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)應(yīng)用于探索神經(jīng)損傷后神經(jīng)性疼痛的時(shí)間變化模式、星形膠質(zhì)細(xì)胞對(duì)炎性損傷的反應(yīng)、特異細(xì)胞類(lèi)型基因的表達(dá)調(diào)控及其對(duì)阿爾茲海默癥的影響、大腦神經(jīng)發(fā)生微環(huán)境隨年齡的變化及其影響因素等相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行導(dǎo)讀，希望為大家的單細(xì)胞相關(guān)研究帶來(lái)啟發(fā)。

案例一

體感神經(jīng)元的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析揭示神經(jīng)病理性疼痛的時(shí)間發(fā)展

研究目的：利用單細(xì)胞RNA測(cè)序探索小鼠神經(jīng)損傷后神經(jīng)性疼痛的時(shí)間變化模式

樣本信息：小鼠受損背根神經(jīng)節(jié)(SNI術(shù)后6 h/24 h/2d/7d/14d)

測(cè)序策略：10×平臺(tái)，單細(xì)胞測(cè)序（scRNA-seq）

捕獲細(xì)胞數(shù)：36,810個(gè)（含6935 個(gè)神經(jīng)元）

結(jié)論：得到了神經(jīng)性疼痛單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組調(diào)控基因表達(dá)模式，以及產(chǎn)生新的神經(jīng)元類(lèi)型。這些新興神經(jīng)元類(lèi)型中，Clcf1等基因可能參與了神經(jīng)性疼痛的時(shí)間動(dòng)態(tài)過(guò)程。由Clcf1基因編碼的心肌營(yíng)養(yǎng)素樣細(xì)胞因子1（CLC）可能是一個(gè)新的神經(jīng)性疼痛的細(xì)胞調(diào)控因子，靶向CLC可能是治療神經(jīng)性疼痛的一個(gè)潛在策略。

案例二

小鼠大腦中的神經(jīng)炎性星形膠質(zhì)細(xì)胞亞型

研究目的：利用單細(xì)胞RNA測(cè)序剖析星形膠質(zhì)細(xì)胞對(duì)炎性損傷的反應(yīng)

樣本信息：小鼠星形膠質(zhì)細(xì)胞（產(chǎn)后30-35天腹腔注射LPS后3小時(shí)/24小時(shí)/72小時(shí))

測(cè)序策略：10×平臺(tái)，單細(xì)胞測(cè)序（scRNA-seq）+空間轉(zhuǎn)錄組測(cè)序（Spatial Transcriptomics）

捕獲細(xì)胞數(shù)：79,994個(gè)

結(jié)論：星形膠質(zhì)細(xì)胞的快速轉(zhuǎn)錄組變化在幾小時(shí)內(nèi)發(fā)生，并隨著時(shí)間的推移而急劇變化。星形膠質(zhì)細(xì)胞的亞型會(huì)經(jīng)歷不同的炎癥轉(zhuǎn)變，并有明確的轉(zhuǎn)錄組圖譜。利用空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)和原位雜交可將炎癥誘導(dǎo)的反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞的關(guān)鍵亞狀態(tài)歸于特定的腦區(qū)。

案例三

解碼小鼠伏隔核(NAc)的分子和細(xì)胞異質(zhì)性

研究目的：利用單細(xì)胞RNA測(cè)序揭示小鼠NAc腦區(qū)的高度細(xì)胞異質(zhì)性

樣本信息：小鼠腦組織的NAc腦（11個(gè)）

測(cè)序策略：10×平臺(tái)，單細(xì)胞測(cè)序（scRNA-seq）

捕獲細(xì)胞數(shù)：37,011 個(gè)

結(jié)論：神經(jīng)元亞型的轉(zhuǎn)錄和空間多樣性是NAc解剖和功能異質(zhì)性的基礎(chǔ)。該研究生成了一個(gè)空間解析的細(xì)胞分類(lèi)法，用于理解 NAc 的結(jié)構(gòu)和功能，證明了結(jié)合分子和空間信息在揭示神經(jīng)系統(tǒng)的基本特征方面的重要性。

案例四

單細(xì)胞分辨率下發(fā)育中人類(lèi)大腦皮層的染色質(zhì)和基因調(diào)控動(dòng)態(tài)變化

研究目的：利用單細(xì)胞RNA測(cè)序和單細(xì)胞染色質(zhì)可及性測(cè)序描繪人類(lèi)皮質(zhì)發(fā)生的基因調(diào)控

樣本信息：人類(lèi)胎兒皮質(zhì)樣本（妊娠16周/20周/21周/24周）

測(cè)序策略：10×平臺(tái)，單細(xì)胞測(cè)序（scRNA-seq）+單細(xì)胞染色質(zhì)可及性測(cè)序(scATAC-seq)

捕獲細(xì)胞數(shù)：57,868 個(gè)（單細(xì)胞測(cè)序）+ 31,304個(gè)（單細(xì)胞染色質(zhì)可及性測(cè)序）

結(jié)論：通過(guò)繪制皮質(zhì)生成的基因表達(dá)和染色質(zhì)可及性單細(xì)胞圖譜，揭示了關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子（TFs）在幾乎連續(xù)的分化軌跡上的基因調(diào)控波，區(qū)分了膠質(zhì)細(xì)胞譜系的表達(dá)程序，并確定了在連鎖基因調(diào)控元件和表達(dá)水平之間表現(xiàn)出強(qiáng)相關(guān)性的譜系決定TFs。在自閉癥譜系障礙（ASD）個(gè)體隊(duì)列中預(yù)測(cè)為破壞性的非編碼突變的強(qiáng)細(xì)胞類(lèi)型特異性富集，并確定了頻繁破壞的TF結(jié)合位點(diǎn)。

案例五

軸突損傷后不同外周感覺(jué)神經(jīng)元亞型的轉(zhuǎn)錄重編程

研究目的：利用單細(xì)胞測(cè)序探索不同外周感覺(jué)神經(jīng)元亞型軸突損傷后的轉(zhuǎn)錄重編程

樣本信息：大鼠背根神經(jīng)節(jié)（DGR）

測(cè)序策略：10×平臺(tái)，單細(xì)胞核測(cè)序（snRNA-seq）

捕獲細(xì)胞數(shù)：141,093個(gè)細(xì)胞

結(jié)論：研究人員發(fā)現(xiàn)所有體感神經(jīng)元亞型對(duì)周?chē)窠?jīng)損傷都有類(lèi)似的轉(zhuǎn)錄反應(yīng)，既促進(jìn)軸突再生，又抑制細(xì)胞特性。這種轉(zhuǎn)錄重編程，在非神經(jīng)元細(xì)胞中沒(méi)有觀察到，在與靶神經(jīng)再支配類(lèi)似的時(shí)間過(guò)程中分解，并與原始細(xì)胞身份的恢復(fù)有關(guān)。損傷誘導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄重編程需要ATF3，這是一種在損傷后迅速誘導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄因子，是軸突再生和功能恢復(fù)所必需的。結(jié)果表明，外周神經(jīng)損傷后早期誘導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄因子賦予感覺(jué)神經(jīng)元轉(zhuǎn)化為再生狀態(tài)所需的細(xì)胞可塑性。

案例六

人類(lèi)小膠質(zhì)細(xì)胞的單細(xì)胞RNA測(cè)序揭示了與阿爾茨海默病相關(guān)的亞群

研究目的：利用單細(xì)胞RNA測(cè)序探索人類(lèi)小膠質(zhì)細(xì)胞的異質(zhì)性

樣本信息：人類(lèi)大腦皮層

測(cè)序策略：10×平臺(tái)，單細(xì)胞測(cè)序（scRNA-seq）

捕獲細(xì)胞數(shù)：16,242個(gè)細(xì)胞

結(jié)論：通過(guò)單細(xì)胞RNA測(cè)序，研究發(fā)現(xiàn)一些亞群富含疾病相關(guān)基因和RNA特征。在組織學(xué)上證實(shí)了四個(gè)小膠質(zhì)細(xì)胞亞群的存在，并通過(guò)進(jìn)一步描述富含阿爾茨海默病（AD）患者皮層缺失基因的小膠質(zhì)細(xì)胞簇7來(lái)說(shuō)明數(shù)據(jù)的效用。組織學(xué)上，這些簇7小膠質(zhì)細(xì)胞在AD組織中的頻率降低，在一組獨(dú)立的單核數(shù)據(jù)中驗(yàn)證了這一觀察結(jié)果?？傊?，該研究的活體人類(lèi)小膠質(zhì)細(xì)胞識(shí)別出一系列亞型，優(yōu)先考慮其中一種亞型在AD中發(fā)生改變。

案例七

MAFG驅(qū)動(dòng)的星形膠質(zhì)細(xì)胞促進(jìn)中樞神經(jīng)系統(tǒng)炎癥

研究目的：利用單細(xì)胞RNA測(cè)序探索星形膠質(zhì)細(xì)胞的異質(zhì)性及其調(diào)控機(jī)制

樣本信息：小鼠腦組織

測(cè)序策略：10×平臺(tái)，單細(xì)胞測(cè)序（scRNA-seq）

捕獲細(xì)胞數(shù)：24,275個(gè)細(xì)胞

結(jié)論：研究人員在自身免疫性腦脊髓炎（EAE）和多發(fā)性硬化癥中鑒定出星形膠質(zhì)細(xì)胞，其特征在于NRF2的表達(dá)減少和MAFG的表達(dá)增加，而MAFG與MAT2α協(xié)同作用以促進(jìn)DNA甲基化并抑制抗氧化劑和抗炎轉(zhuǎn)錄程序。星形膠質(zhì)細(xì)胞中的粒細(xì)胞-巨噬細(xì)胞集落刺激因子（GM-CSF）信號(hào)驅(qū)動(dòng)MAFG和MAT2α的表達(dá)以及促炎性轉(zhuǎn)錄模塊，促進(jìn)EAE中樞神經(jīng)系統(tǒng)病理，并可能導(dǎo)致多發(fā)性硬化。這些結(jié)果確定了多發(fā)性硬化癥的候選治療靶標(biāo)。

案例八

下丘腦外側(cè)區(qū)域的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組分析顯示了分子上不同的抑制性和興奮性神經(jīng)元群

研究目的：利用單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組分析探索小鼠下丘腦外側(cè)區(qū)域（LHA）中分子不同的細(xì)胞類(lèi)型

樣本信息：小鼠下丘腦外側(cè)區(qū)域（LHA）

測(cè)序策略：10×平臺(tái)，單細(xì)胞測(cè)序（scRNA-seq）

捕獲細(xì)胞數(shù)：3,784個(gè)雄性小鼠LHA腦區(qū)細(xì)胞＋3,434個(gè)雌性小鼠LHA腦區(qū)

結(jié)論：根據(jù)快速神經(jīng)遞質(zhì)表型和神經(jīng)肽、轉(zhuǎn)錄因子和突觸蛋白等基因類(lèi)別對(duì)神經(jīng)元群體進(jìn)行分類(lèi)。研究人員定義了15種不同的谷氨酸能神經(jīng)元和15種GABA能神經(jīng)元，包括已知和新的細(xì)胞類(lèi)型。通過(guò)解剖學(xué)和行為學(xué)方法進(jìn)一步描述了新的生長(zhǎng)抑素表達(dá)神經(jīng)元群體，確定了這些神經(jīng)元在先天性運(yùn)動(dòng)行為的特定形式中的作用。本研究為更好地理解LHA功能奠定了基礎(chǔ)。

案例九

阿爾茨海默病的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組分析

研究目的：利用單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組分析探索參與調(diào)控阿爾茨海默病的分子及機(jī)制

樣本信息：不同程度阿爾茨海默病病理患者的前額皮質(zhì)

測(cè)序策略：10×平臺(tái)，單細(xì)胞測(cè)序（scRNA-seq）

捕獲細(xì)胞數(shù)：80,660個(gè)細(xì)胞

結(jié)論：在6種主要的腦細(xì)胞類(lèi)型中，研究人員確定了不同的轉(zhuǎn)錄組亞群，包括那些與病理相關(guān)的亞群，并以髓鞘形成、炎癥和神經(jīng)元存活的調(diào)節(jié)因子為特征。與疾病相關(guān)的最強(qiáng)變化出現(xiàn)在病理進(jìn)展的早期，且具有高度的細(xì)胞類(lèi)型特異性，然而在晚期，不同的細(xì)胞類(lèi)型中呈現(xiàn)出相似的基因上調(diào)，主要是參與應(yīng)激反應(yīng)的基因?？傮w而言，髓鞘形成相關(guān)過(guò)程在多種細(xì)胞類(lèi)型中反復(fù)受到干擾，這表明髓鞘形成在阿爾茨海默病病理生理學(xué)中具有關(guān)鍵作用。

案例十

單細(xì)胞組學(xué)鑒定自閉癥細(xì)胞類(lèi)型特異性分子變化

研究目的：利用單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序評(píng)估自閉癥患者大腦中的特定細(xì)胞類(lèi)型

樣本信息：自閉癥患者的皮質(zhì)組織

測(cè)序策略：10×平臺(tái)，單細(xì)胞核測(cè)序（snRNA-seq）

捕獲細(xì)胞數(shù)：104,559個(gè)細(xì)胞

結(jié)論：研究人員對(duì)自閉癥患者的皮質(zhì)組織進(jìn)行單核RNA測(cè)序，以確定特定細(xì)胞類(lèi)型中與自閉癥相關(guān)的轉(zhuǎn)錄組變化。發(fā)現(xiàn)在孤獨(dú)癥患者中，上層興奮性神經(jīng)元的突觸信號(hào)和小膠質(zhì)細(xì)胞的分子狀態(tài)優(yōu)先受到影響。此外，結(jié)果表明，皮質(zhì)投射神經(jīng)元中特定基因組的失調(diào)與孤獨(dú)癥的臨床嚴(yán)重程度相關(guān)。這些發(fā)現(xiàn)提示，上層皮質(zhì)回路的分子變化與孤獨(dú)癥的行為表現(xiàn)有關(guān)。

案例十一

單細(xì)胞分析顯示免疫細(xì)胞浸潤(rùn)老化大腦破壞新生神經(jīng)細(xì)胞的產(chǎn)生

研究目的：利用單細(xì)胞測(cè)序分析哺乳動(dòng)物大腦神經(jīng)發(fā)生微環(huán)境隨年齡的變化及其影響因素

樣本信息：小鼠腦組織

測(cè)序策略：10×平臺(tái)，單細(xì)胞測(cè)序（scRNA-seq）

捕獲細(xì)胞數(shù)：14,685個(gè)細(xì)胞

結(jié)論：?jiǎn)渭?xì)胞轉(zhuǎn)錄組的分析顯示，活化的神經(jīng)干細(xì)胞減少，內(nèi)皮細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞發(fā)生變化，舊的神經(jīng)源性生態(tài)位中有T細(xì)胞浸潤(rùn)。衰老大腦的T細(xì)胞是克隆性擴(kuò)增的，通常與血液中的T細(xì)胞不同，這表明他們可能會(huì)經(jīng)歷特定的抗原。衰老大腦中的T細(xì)胞也表達(dá)干擾素-γ，具有高干擾素反應(yīng)的神經(jīng)干細(xì)胞亞群顯示體內(nèi)增殖減少。共培養(yǎng)和體內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明，T細(xì)胞可以抑制神經(jīng)干細(xì)胞的增殖，部分是通過(guò)分泌干擾素-γ。研究揭示了衰老大腦中T細(xì)胞和神經(jīng)干細(xì)胞之間的相互作用。

案例十二

多發(fā)性硬化癥患者少突膠質(zhì)細(xì)胞異質(zhì)性改變

研究目的：利用單細(xì)胞測(cè)序探索人類(lèi)少突膠質(zhì)細(xì)胞異質(zhì)性程度及其對(duì)多發(fā)性硬化癥（MS）病理學(xué)的貢獻(xiàn)

樣本信息：人類(lèi)腦組織

測(cè)序策略：10×平臺(tái)，單細(xì)胞核測(cè)序（snRNA-seq）

捕獲細(xì)胞數(shù)：17,799個(gè)細(xì)胞

結(jié)論：研究人員在對(duì)照組人類(lèi)白質(zhì)中鑒定了少突膠質(zhì)細(xì)胞亞群，其中一些與小鼠相似，并為這些細(xì)胞狀態(tài)定義了新的標(biāo)記。一些亞群在MS組織中的表達(dá)不足，而其他亞群則更為普遍。成熟少突膠質(zhì)細(xì)胞亞群的這些差異可能表明MS病變中少突膠質(zhì)細(xì)胞的不同功能狀態(tài)。在正常的白質(zhì)中發(fā)現(xiàn)了類(lèi)似的變化，表明MS是一種比局灶性脫髓鞘更為彌漫性的疾病。

案例十三

阿爾茨海默病患者內(nèi)嗅皮層的單細(xì)胞圖譜揭示了細(xì)胞類(lèi)型特異性基因表達(dá)調(diào)控

研究目的：利用單細(xì)胞測(cè)序探索特異細(xì)胞類(lèi)型基因的表達(dá)調(diào)控及其對(duì)阿爾茲海默癥的影響

樣本信息：阿爾茲海默癥患者內(nèi)嗅皮層

測(cè)序策略：10×平臺(tái)，單細(xì)胞核測(cè)序（snRNA-seq）

捕獲細(xì)胞數(shù)：13,214個(gè)細(xì)胞核

結(jié)論：研究人員詳細(xì)描繪了細(xì)胞類(lèi)型特定的基因表達(dá)模式，揭示了特定細(xì)胞亞群中的轉(zhuǎn)錄變化與阿爾茲海默癥的關(guān)系。阿爾茲海默癥的疾病風(fēng)險(xiǎn)基因APOE在阿爾茲海默癥的少突膠質(zhì)細(xì)胞祖細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞亞群中被特異性抑制，而在阿爾茲海默癥患者特異的小膠質(zhì)細(xì)胞亞群中被上調(diào)。通過(guò)將轉(zhuǎn)錄因子調(diào)節(jié)模塊與阿爾茨海默病風(fēng)險(xiǎn)位點(diǎn)整合，揭示了細(xì)胞類(lèi)型特異性狀態(tài)向阿爾茨海默病轉(zhuǎn)變的驅(qū)動(dòng)因素。例如，轉(zhuǎn)錄因子EB是溶酶體功能的主要調(diào)節(jié)因子，在特定的阿爾茨海默病星形膠質(zhì)細(xì)胞亞群中調(diào)節(jié)多種疾病基因。

單細(xì)胞測(cè)序——神經(jīng)腦組織資料

吉?jiǎng)P基因憑借多年在靶標(biāo)篩選及驗(yàn)證服務(wù)領(lǐng)域的技術(shù)積累，建立的標(biāo)準(zhǔn)化、工程化、系統(tǒng)化的GRP平臺(tái)，為中國(guó)研究型醫(yī)生提供科研服務(wù)，加快科研成果轉(zhuǎn)化，其中，單細(xì)胞測(cè)序擁有10x和BD兩個(gè)平臺(tái)，提供單細(xì)胞RNA-seq、單細(xì)胞核測(cè)序、單細(xì)胞混樣RNA-seq、單細(xì)胞ATAC-seq、單細(xì)胞（RNA+ATAC）、空間轉(zhuǎn)錄組測(cè)序等服務(wù)。